Nový druh atomových hodin je přesnější než všechny dosud postavené, se schopností hladce tikat tisícekrát za celý život vesmíru. Kromě toho, že jsou dosud nejlepšími časoměřiči, mohou nové takzvané kvantové plynové hodiny jednoho dne nabídnout nahlédnutí do nové fyziky.
Vědci v JILA (dříve také označovaný jako Společný ústav pro laboratorní astrofyziku) použili kombinaci atomů stroncia a řady laserových paprsků k vytvoření hodin tak přesných, že by bylo možné měřit interakci gravitace v menších měřítcích než kdykoli předtím . Mohlo by to objasnit povahu jeho vztahu k jiným základním silám, tajemství, které po desetiletí zmatilo fyziky.
Atomové hodiny měří čas pomocí vibrací atomů jako velmi přesný metronom. Aktuální atomové hodiny jsou po desítkách miliard roků vypnuty. Tato nejnovější iterace zůstává dostatečně přesná, aby byla vypnuta pouze o 1 sekundu během asi 90 miliard let.
Abychom dosáhli takové přesnosti, tým zchladil atomy stroncia, aby jim zabránil pohybovat se a narážet do sebe - něco, co může zbavit jejich vibrace. Nejprve udeřili atomy lasery. Když atomy zasáhly fotony v laserech, absorbovaly svou energii a znovu emitovaly foton, čímž ztratily kinetickou energii a ochladily se. Ale to je dostatečně neochladilo. Aby je bylo ještě chladnější, tým se spoléhal na odpařovací chlazení, které umožnilo některým atomům stroncia odpařit se a přijmout ještě více energie. Byly ponechány s 10 000 až 100 000 atomy, při teplotě pouze 10 až 60 miliardtin stupně nad absolutní nulou, nebo mínus 459 stupňů Fahrenheita (mínus 273 stupňů Celsia).
Chladné atomy byly zachyceny 3D uspořádáním laserů. Paprsky byly nastaveny tak, aby vzájemně zasahovaly. Když tak činili, vytvořili regiony s nízkou a vysokou potenciální energií, nazývané potenciální studny. Jamky fungují jako naskládané vaječné kartony a každá z nich má atom stroncia.
Atomy byly tak studené, že přestaly vzájemně spolupracovat - na rozdíl od běžného plynu, ve kterém atomy náhodně pobíhají a odrážejí se od svých kolegů, takové chlazené atomy zůstávají docela nehybné. Poté se začnou chovat způsobem, který je méně jako plyn a spíše jako pevná látka, i když vzdálenost mezi nimi je mnohem větší, než jaká je v pevném stronci.
„Z tohoto hlediska je to velmi zajímavý materiál; nyní má vlastnosti, jako by to byl solidní stav,“ řekl Live Science vedoucí projektu Jun Ye, fyzik z Národního institutu pro standardy a technologie. (JILA je společně provozována NIST a University of Colorado v Boulderu.)
V tuto chvíli byly hodiny připraveny začít udržovat čas: Vědci zasáhli atomy laserem a vzrušili jeden z elektronů obíhajících jádro stroncia. Protože jsou elektrony řízeny zákony kvantové mechaniky, nelze říci, v jaké energetické úrovni je elektron, jakmile je vzrušený, a lze pouze říci, že má pravděpodobnost, že bude v jednom nebo druhém. Aby změřili elektrony, vystřelili po 10 sekundách další atom na atom. Tento laser měří, kde je elektron umístěn kolem jádra, protože foton z laseru je znovu emitován atomem - a kolikrát v tomto období osciluje (10 sekund).
Zprůměrování tohoto měření na tisíce atomů je to, co dává atomovým hodinám jeho přesnost, stejně jako průměrování úderů tisíců identických kyvadel dá jedno přesnější představu o tom, jaké období by mělo být toto kyvadlo.
Až dosud měly atomové hodiny pouze jediné „řetězce“ atomů, na rozdíl od 3D mříže, takže nemohly provádět tolik měření, jaké tento provedl, Ye řekl.
„Je to jako porovnávat hodinky,“ řekla Ye. „Pomocí této analogie laserový puls na atomech odstartuje koherentní kmitání. O deset sekund později zapneme pulz znovu a zeptáme se elektronu:„ Kde jsi? “„ Toto měření je průměrováno na tisíce atomů.
Udržovat elektrony v tomto mezilehlém stavu je obtížné, řekl Ye, a to je další důvod, proč atomy musí být tak chladné, aby se elektrony náhodně nedotkly nic jiného.
Hodiny mohou v podstatě měřit sekundy až na 1 část v bilionech. Díky této schopnosti je více než opravdu dobrý časoměřič; mohlo by to pomoci při hledání jevů, jako je temná hmota, řekl Ye. Například, jeden mohl založit experiment v prostoru používat takový přesný časovač vidět, zda se atomy chovají odlišně od toho, co předpovídají konvenční teorie.
Studie je podrobně popsána v 6. čísle časopisu Science.
